低成本宽带高线性度驱动放大器芯片

成都嘉纳海威科技有限责任公司 吕继平 钟 丹 王测天 邬海峰

青海民族大学物理与电子信息工程学院 林 倩

近几年5G通信的广泛普及导致市场对于无线通信设备及芯片的需求猛增。由于功率放大器是无线通信射频前端中功率输出部分，主要完成对射频信号的不失真放大，同时兼顾系统对带宽、功率、效率和线性度的要求；而射频驱动放大器作为5G无线通信射频前端中的重要器件，一般放在功率放大器的输入端，为后级功放提供中功率输入信号，因此驱动放大器需满足在保持线性度的条件下具备较高的增益和较大的功率输出，因此驱动放大器的工作带宽、输出功率、增益、线性度等关键指标对5G无线通信信号质量有着重要影响。尤其在L波段，由于传输损耗更小，穿透力更强，信号覆盖面积更广，适用于大范围网络覆盖，如将其用在组网基站可降低基站成本，因此5G系统迫切需求L波段驱动放大器芯片，并且要求其具备低成本、宽带、高线性度指标。

本文基于2μm GaAs HBT工艺设计实现了一款0.4～1.4GHz宽带高线性度驱动放大器芯片。该驱动放大器采用一级放大电路结构，结合自适应偏线性化偏置与负反馈技术，实现了良好的输入、输出驻波、噪声系数和线性度指标。芯片面积为800×650um2。在3.3V供电电压下，该放大器芯片实测静态电流为52mA，在0.4～1.4GHz工作频带内，典型增益为17dB，输出P1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。该芯片在-40℃、+25℃、+115℃三温条件下核心指标增益、输出P1dB、OIP3值在±1dB以内，呈现了良好的温度波动特性，同时在3.15V、3.3V、3.45V三种供电电压下，核心指标±0.5dB以内，适合5G通信系统的应用。

1 芯片结构

本文提出的驱动放大器电路原理图如图1所示，为一级放大电路结构，由4个晶体管晶M1~M4并联组成一个放大管胞，以提高放大器输出功率和线性度。芯片输入端并联到地大电感L1，起到防静电保护以及低频增益匹配的作用。C1和R1为放大器输入端阻抗匹配电路，用于以改善放大器驻波、增益噪声系数以及增益平坦度和线性度等关键指标。在晶体管M1～M4的发射极分别串联整流电阻R2～R5用于提高基极电流的控制能力并改善放大器的热稳定性，R2～R5取值由所选工艺以及设计经验共同决定。发射极整流的方式同基极整流的方式相比，线性度指标会有显著提升。电容C3和电阻R9为放大器提供负反馈回路，可调节输入输出匹配，扩展带以及改善放大器的稳定性。

图1 驱动放大器电路原理图

该结构采用自适应线性化偏置电路提升了放大器的线性度，同时对放大器起到一定的温度补偿和稳定晶体管的偏置电压的作用，偏置电路的电源为+3.3V。如图1所示，自适应线性化偏置电路结构中，晶体管M7、M8以等效二极管方式进行连接，M8发射极串联电阻R8到地，M7与M5和M6共同组成电流镜结构，电容C4的作用可将泄露到偏置电路的射频信号旁路到地。放大管胞集电极电路偏置直接由外部输入的3.3V提供。电阻R6与C2为偏置电路的匹配电路，用来改善偏置电路引入的插入损耗。

2 实验结果

采用2μm的GaAs HBT工艺进行仿真设计流片后，芯片尺寸为800×650um2。在芯片的Vbb和Vcc端加3.3V电压，静态电流为52mA。常温下测得的芯片的性能指标如图2所示，在0.4～1.4GHz范围内增益16.7～17.2dB，增益平坦度≤ 0.5dB，输入回波小于-15dB、输出回波小于-11.5dB，典型噪声系数为7dB，输出P-1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。

图2 S参数、噪声和线性度测试结果

从图3中可以看出，在环境温度-40℃～+115℃范围内，放大器在全工作频段内的输出P1dB三温曲线一致性很好，变化不大于1.7dBm，OIP3变化最大为2.2dB。

图3 P1dB和OIP3线性度三温测试结果

从图4中可以看到三种工作电压下放大器的输出P1dB化曲线小于0.9dB，OIP3变化小于1.5dB。

图4 不同工作电压条件下P1dB和OIP3线性度测试结果

结论：论文采用2μm GaAs HBT工艺设计了一款0.4～1.4GHz宽带高线性度驱动放大器，芯片尺寸为800×650um2。在3.3V工作电压下，芯片的常温静态电流为52mA，在0.4GHz～1.4GHz频带内，测得芯片典型增益为17dB且增益平坦度不大于0.5dB。芯片的P1dB大于19.2dBm，OIP3大于39.5dBm。从常温测试测试结果可以看出，该芯片具有工作频段宽、高增益、高线性度的特点。本文同时对比了在不同输入电压以及极限环境温度条件下放大器的主要性能指标测试结果，从测试结果对比可看出，该驱动放大器具有一定的温度稳定性和电压波动稳定性，能够在温度范围大、电压有一定波动的恶劣环境下使用。